LNG運(yùn)輸船和浮式轉(zhuǎn)接駁間吸附力數(shù)值模擬分析

蒙學(xué)昊,李萌,周毅,羅文忠,斯園園

(中海油能源發(fā)展股份有限公司 采油服務(wù)分公司，天津 300452)

LNG浮式轉(zhuǎn)接駁設(shè)施是一個(gè)模塊化的LNG傳輸系統(tǒng)，使用浮式軟管與模塊化的岸上設(shè)施相連接，以實(shí)現(xiàn)船舶與儲(chǔ)存設(shè)施之間的LNG傳輸。LNG浮式轉(zhuǎn)接駁在作業(yè)時(shí)采用真空吸附裝置與LNG船連接。連接后，LNG浮式轉(zhuǎn)接駁可牢固地連接于LNG船舷側(cè)，與LNG船同步運(yùn)動(dòng)。對(duì)真空吸附裝置的選型關(guān)鍵在于吸附力是否能承受LNG浮式轉(zhuǎn)接駁與LNG船之間的拉力，但是直接計(jì)算兩者的吸附力過(guò)程較為復(fù)雜，容易出現(xiàn)誤差。為了準(zhǔn)確地進(jìn)行真空吸附裝置的選型，考慮在數(shù)值模擬中使用纜繩模擬LNG浮式轉(zhuǎn)接駁與LNG船之間的連接力，分析在典型作業(yè)海況下LNG浮式轉(zhuǎn)接駁與LNG船之間的連接力，為真空吸附裝置的選型提供參考依據(jù)。

1 船體主要參數(shù)以及系泊工況

1.1 船舶主尺度和坐標(biāo)系的確定

數(shù)值模擬選用的LNG船型主尺度見(jiàn)表1，浮式轉(zhuǎn)接駁主尺度見(jiàn)表2。

表1 船型主尺度 m

表2 轉(zhuǎn)接駁主尺度 m

見(jiàn)圖1，在LNG船上建立坐標(biāo)系，風(fēng)、浪和流環(huán)境載荷方向?yàn)榇仓赶虼?，初始?°順時(shí)針?lè)较蛞来卧黾?0°。在圖中駁船靠LNG船右舷，中間與橡膠護(hù)舷相接觸。為了簡(jiǎn)化計(jì)算，真空吸附裝置用纜繩代替，通過(guò)計(jì)算纜繩張力得到系泊過(guò)程中兩船間的相互作用力。

圖1 坐標(biāo)系與環(huán)境載荷方向

1.2 模型構(gòu)建及網(wǎng)格劃分

首先建立 LNG船-浮式轉(zhuǎn)接駁的模型，利用三維建模軟件CATIA對(duì)模型進(jìn)行構(gòu)建。初步生成船體模型，對(duì)模型進(jìn)行曲率分析、曲面縫合等技術(shù)操作。在這過(guò)程中，適度的對(duì)船體型線進(jìn)行微調(diào)，實(shí)現(xiàn)船體型線光滑過(guò)渡等要求，并最終對(duì)船體曲面曲率進(jìn)行分析，得到最終的模型見(jiàn)圖2和圖3。

圖2 LNG船-浮式轉(zhuǎn)接駁模型(等軸測(cè)視)

圖3 LNG船-浮式轉(zhuǎn)接駁模型(正視)

船體模型建立完畢后，導(dǎo)入到ANSYS中的DM模塊對(duì)雙體船模型進(jìn)行水線劃分，見(jiàn)圖4，水線劃分完畢后導(dǎo)入至MESH模塊。

圖4 LNG船-浮式轉(zhuǎn)接駁網(wǎng)格模型

計(jì)算在網(wǎng)格劃分過(guò)程中，利用ANSYS中的MESH單元對(duì)雙體船模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分。主要是對(duì)網(wǎng)格的光滑過(guò)渡、粗糙度以及局部網(wǎng)格進(jìn)行細(xì)化等實(shí)現(xiàn)對(duì)雙體船模型板網(wǎng)格質(zhì)量進(jìn)行控制，以達(dá)到減小誤差的作用。

低質(zhì)量的網(wǎng)格單元會(huì)直接影響計(jì)算結(jié)果，在網(wǎng)格劃分前，需判斷網(wǎng)格劃分的方案是否會(huì)產(chǎn)生低質(zhì)量的網(wǎng)格。根據(jù)船舶的特點(diǎn)，符合下列任何一項(xiàng)的網(wǎng)格即被定義為不良網(wǎng)格。

1)細(xì)長(zhǎng)比大于10。

2)網(wǎng)格內(nèi)角小于15°。

3)錐比度小于0.1。

4)拉伸值小于0.1。

網(wǎng)格劃分完畢后分析船體的靜水力，得到LNG船的重心、浮心，具體數(shù)值見(jiàn)表3。浮式轉(zhuǎn)接駁的具體數(shù)值見(jiàn)表4。

表3 LNG船重心浮心位置 m

表4 浮式轉(zhuǎn)接駁重心浮心位置 m

2 海上環(huán)境數(shù)據(jù)的設(shè)置

2.1 工作水域環(huán)境

假設(shè)工作水域作業(yè)水深15 m，風(fēng)速20 m/s，風(fēng)向?yàn)?°，波浪譜為JONSWAP譜，譜峰因子3.3，有義波高=2.5 m，浪向-45°，流速1.5 m/s。

2.2 風(fēng)流力系數(shù)的定義及計(jì)算

基于Star CCM+軟件，使用有限體積法，數(shù)值計(jì)算模型為L(zhǎng)NG浮式轉(zhuǎn)接駁全船模型，縮尺比為1∶5，具體模型見(jiàn)圖5。

圖5 船體計(jì)算模型

以坐標(biāo)原點(diǎn)為中心，水平面內(nèi)張成一個(gè)-8≤≤5，-5≤≤5，-2≤≤的長(zhǎng)方體區(qū)域作為計(jì)算域，數(shù)值模型使用含棱柱層多邊形的體網(wǎng)格，并對(duì)近船區(qū)域的局部網(wǎng)格進(jìn)行了細(xì)化處理，見(jiàn)圖6。

圖6 網(wǎng)格劃分，上層建筑和下船殼

而后設(shè)定邊界條件。數(shù)值模型中，船舶沿，，各方向的力和力矩均可不經(jīng)換算而直接計(jì)算獲得。同時(shí)，由部分算例可以觀察流場(chǎng)作用下船體、上層建筑等的受力或風(fēng)壓分布情況，見(jiàn)圖7。

圖7 正迎風(fēng)工況下浮式轉(zhuǎn)接駁風(fēng)壓分布

使用模塊法計(jì)算風(fēng)載荷，根據(jù)雙體船的結(jié)構(gòu)形式，對(duì)其主甲板、排氣管、駕駛室等水面以上結(jié)構(gòu)建立三維模型，分別計(jì)算各模塊的受力和力矩，最后疊加各模塊的載荷，進(jìn)而得到平臺(tái)的風(fēng)載荷系數(shù)。通過(guò)數(shù)值計(jì)算，對(duì)得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，得到不同風(fēng)向角下的風(fēng)載荷系數(shù)，其中0°、45°、60°、90°、135°、150°、180°方向的風(fēng)載荷系數(shù)為數(shù)值計(jì)算求得，見(jiàn)表5。

表5 浮式轉(zhuǎn)接駁風(fēng)力系數(shù)數(shù)據(jù)表

對(duì)得到的結(jié)果可根據(jù)后期實(shí)驗(yàn)數(shù)值進(jìn)行對(duì)比修正，驗(yàn)證其準(zhǔn)確性。

流載荷系數(shù)的計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表6。

表6 浮式轉(zhuǎn)接駁流力系數(shù)數(shù)據(jù)表

其中0°、45°、60°、90°、135°、150°、180°方向的風(fēng)載荷系數(shù)為數(shù)值計(jì)算求得。在計(jì)算過(guò)程中，由于雙體船系泊流載荷系數(shù)的計(jì)算缺乏相關(guān)的規(guī)范依據(jù)，沒(méi)有相關(guān)規(guī)范數(shù)據(jù)與Star CCM+數(shù)值計(jì)算結(jié)果的數(shù)據(jù)對(duì)比驗(yàn)證。因此，流載荷系數(shù)的數(shù)值計(jì)算結(jié)果需要與后期的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證，才可判斷數(shù)值計(jì)算結(jié)果是否可靠。

LNG船風(fēng)流力系數(shù)根據(jù)OCIMF規(guī)范取值，見(jiàn)表7、8。

表7 LNG船風(fēng)力系數(shù)數(shù)據(jù)表

2.3 船舶阻尼修正

根據(jù)對(duì)船體模型水動(dòng)力計(jì)算結(jié)果顯示橫搖RAO峰值太大，峰值在15°左右，需要對(duì)橫搖方向阻尼進(jìn)行修正，剛體單自由度運(yùn)動(dòng)時(shí)的臨界阻尼為

表8 LNG船流力系數(shù)數(shù)據(jù)表

(1)

式中：為質(zhì)量；為相匹配的自由度剛度。

對(duì)于橫搖運(yùn)動(dòng)，該公式為

(2)

式中：為橫搖方向慣性質(zhì)量；Δ為附加的慣性質(zhì)量，為橫搖方向剛度系數(shù)。

為使船舶RAO響應(yīng)曲線更接近實(shí)際值，依據(jù)頻域計(jì)算結(jié)果修正船舶阻尼，修正值見(jiàn)表9。

表9 LNG-浮式轉(zhuǎn)接駁阻尼修正值

LNG船橫搖阻尼修正數(shù)據(jù)=55 751.0 N·m/((°)/s)，此時(shí)橫搖峰值為4.027 m，較為接近實(shí)際情況。

3 系泊方案規(guī)劃

此次系泊計(jì)算采用懸鏈?zhǔn)较挡?，?jiàn)圖8。

圖8 系泊方案示意

3.1 導(dǎo)纜孔及系泊點(diǎn)坐標(biāo)

LNG船導(dǎo)纜孔位置以及系泊點(diǎn)位置見(jiàn)表10和表11，使用的坐標(biāo)系為AQWA模塊默認(rèn)坐標(biāo)系，系泊點(diǎn)dolphin c與船中對(duì)應(yīng)，根據(jù)導(dǎo)纜孔及系泊點(diǎn)的坐標(biāo)設(shè)置錨鏈，護(hù)舷位置見(jiàn)表12。

表10 LNG導(dǎo)纜孔坐標(biāo) m

表11 錨泊點(diǎn)坐標(biāo) m

表12 護(hù)舷坐標(biāo) m

3.2 錨鏈及纜繩規(guī)格選擇

目前，常用船用系泊纜繩主要鋼絲纜繩和合成纖維纜繩兩種。當(dāng)直徑相同時(shí)，鋼纜的最小斷裂載荷大于合成纜，兩者的彈性也有很大差異。不同材料的伸長(zhǎng)率有很大差異。當(dāng)鋼纜的應(yīng)力達(dá)到最小斷裂載荷的一半時(shí)，鋼纜的伸長(zhǎng)率約為1%，而合成纖維鋼索具有良好的彈性。例如尼龍合成纜繩達(dá)到最小斷裂載荷的50%時(shí)，其伸長(zhǎng)率約為12%甚至更高。本系泊系統(tǒng)中使用的系泊纜和錨鏈相關(guān)參數(shù)見(jiàn)表13。

表13 系泊纜繩參數(shù)

3.3 護(hù)舷規(guī)格設(shè)定

為了緩沖碰撞，需要在雙船之間設(shè)置護(hù)舷。由于護(hù)舷的非線性剛度特性使其模擬復(fù)雜，對(duì)其進(jìn)行相應(yīng)簡(jiǎn)化，采用線性化的處理方式,將護(hù)舷達(dá)到最大受力之前的部分看作線性力。設(shè)定護(hù)舷間距為1 m，設(shè)置3個(gè)充氣橡膠護(hù)舷，性能曲線見(jiàn)圖9，采用充氣橡膠護(hù)舷的具體參數(shù)見(jiàn)表14。

圖9 充氣橡膠護(hù)舷受力變形

表14 充氣橡膠護(hù)舷的具體參數(shù)

4 計(jì)算結(jié)果

LNG船與浮式轉(zhuǎn)接駁間通過(guò)4個(gè)角采用浮筒系泊型式，浮筒下端采用錨鏈，浮筒至LNG船采用纜繩連接，見(jiàn)圖10。

圖10 浮筒系泊及雙船固定纜繩布置示意

錨鏈和纜繩長(zhǎng)度及相應(yīng)的預(yù)緊力參數(shù)見(jiàn)表15、16，錨鏈從船首左舷開(kāi)始，順時(shí)針依次編號(hào)，纜繩船首至船尾編號(hào)。

表15 錨鏈布置及預(yù)緊力

表16 纜繩布置及預(yù)緊力

根據(jù)計(jì)算結(jié)果分別對(duì)LNG船運(yùn)動(dòng)幅值和纜繩受力進(jìn)行計(jì)算，具體數(shù)值見(jiàn)表17。

表17 LNG船及浮式轉(zhuǎn)接駁運(yùn)動(dòng)響應(yīng)幅值統(tǒng)計(jì)

開(kāi)闊海域船與船之間過(guò)駁的運(yùn)動(dòng)限制參考陸地LNG碼頭對(duì)船舶的作業(yè)要求，依據(jù)JTS165-5—2016《液化天然氣碼頭設(shè)計(jì)規(guī)范》和PIANC規(guī)范《Criteria for Movements of Moored Ships in Harbours》，氣體運(yùn)輸船舶裝卸作業(yè)時(shí)的允許的運(yùn)動(dòng)量標(biāo)準(zhǔn)見(jiàn)表18。由結(jié)果可以看出，雙船系泊在指定環(huán)境下中，LNG與駁船的位移均在2 m左右，滿足作業(yè)要求。

表18 氣體作業(yè)船允許運(yùn)動(dòng)量

此次計(jì)算采用懸鏈?zhǔn)较挡?，選取4根錨鏈核算其在環(huán)境載荷作用下的張力變化。錨鏈?zhǔn)艿降淖畲罄?53.3 kN，未斷裂。

最終，計(jì)算纜繩1與纜繩2的受力情況，纜繩受到的最大拉力為145.8 kN，根據(jù)纜繩在船體坐標(biāo)系的位置，將系纜力換算為縱向分力和橫向分力，見(jiàn)表19。

表19 計(jì)算結(jié)果換算 kN

綜合以上計(jì)算結(jié)果可知，纜繩的能承受的最大拉力為145.8 kN，可作為真空吸附裝置的選型參考。

5 結(jié)論

1)模擬使用的系泊纜繩選擇尼龍纜繩得到的拉力最大，可以得到LNG浮式轉(zhuǎn)接駁與LNG船之間所受張力的最大值。

2)根據(jù)本次系泊方案，纜繩布置、錨鏈布置以及護(hù)舷布置，綜合考慮系統(tǒng)受力，結(jié)合整個(gè)系統(tǒng)安全性、經(jīng)濟(jì)性的考量，建議真空裝置的最小吸附力為145.8 kN。此時(shí)，真空吸附裝置可以安全使用，LNG輸送可以安全運(yùn)行。

3)設(shè)計(jì)人員可以調(diào)整模型參數(shù)和較為關(guān)注的海況來(lái)判斷估算雙船間最大受力，進(jìn)一步選擇真空吸附裝置。本計(jì)算方法有助于估算LNG浮式轉(zhuǎn)接駁和LNG船之間的吸附力，對(duì)真空吸附裝置的選型提供指導(dǎo)，節(jié)省成本，兼顧安全性和經(jīng)濟(jì)性。